標籤:狹義相對論

對於宇宙譜線紅移,從可能性的角度可能存在三中形成譜線頻移的原因,即:距離效應、多普勒效應、康普頓效應,本文從理論上提出鑒別那一種是形成主要原因的方法。並針對試驗的可能性的結果提出對宇宙觀念的可能性影響。

1引言

相對論
光作為宇宙信息很早就引起人們的注意,在光的傳播問題上,十九世紀的麥克斯韋在解釋電磁理論的基礎上,提出了在宇宙空間中存在以太海的假設,但是在人們採用試驗的方法來驗證以太的存在時,比如比較有名的麥克爾遜——莫雷實驗,卻不能得到以太存在的證據。這說明採用十九世紀以前經典的力學方法不能對電磁理論關於光的傳播問題很好的進行解釋,或者更進一步說,經典的力學和電磁理論是不兼容的,採用試驗的方法客觀事實不支持這樣的結論,至少在十九世紀是這樣的。
愛因斯坦在當時的經驗事實的基礎上,(主要是根據如下的兩點假設,第一光速與光源的運動無關,第二,人們採用各種方法測量到的光速為一近似常數的結論)提出光速為一常數並且與慣性參照系無關的結論。並進一步提出所有物體的運動速度不能超過光速,將光速設定為物體運動的極限速度。這通常叫做狹義相對論的光速不變原理。通過這個途徑,建立了電磁理論的聯繫。這實際上是建立了關於宇宙中物體的運動和定量的一種關係,或者說宇宙中物體的描述狀態的關係。當然,僅憑這一點還是不夠的,因為在定量的過程中還存在定量體和被定量體,這一點是通過慣性系來實現的,即通常所說的狹義相對論的相對性原理。
狹義相對論的相對性原理實際上是伽利略相對性原理,在原理所表述的內容上幾乎是沒有區別的。即:關於力學定律在所有慣性參照系中都是相同的原理。或者更進一步的說,是牛頓運動定律擴展到描述系統的應用情況。 另一方面說明,牛頓力學規律的普適性,在相對論中兼容了牛頓力學規律。在狹義相對論中,慣性參照系普遍的定量規律為推廣到宇宙的定量狀態打下了一個伏筆。
前面我們知道,物質本身的屬性存在兩種屬性,一種屬性是慣性,愛因斯坦通過慣性和光速不變原理建立了狹義相對論描述慣性系的基礎。另一種屬性則是萬有引力,那麼萬有引力又是通過什麼來進行描述的呢?下面我們來看這個問題。
物質本身所具有的萬有引力和物質作用的關係,其本身是一種經驗約定,在這個關係上,經典的牛頓力學採用平方反比定律來對這個問題進行描述。愛因斯坦則另闢小徑,通過加速度和引力的等效模式來進行等效處理,或者說慣性質量等效於引力質量。如果說狹義相對論是處理慣性系的問題,那麼廣義相對論則是處理非慣性系參照系的問題。在廣義相對論存在的問題——原理上的問題 中,我們已經討論了這個問題慣性質量和引力質量是不需要採用等效的模式來進行經驗約定的,它們本身都是力學的定義系統。在廣義相對論中還包括另一種涵義,這種含義就是通過等效的模式建立狹義相對論和廣義相對論之間在觀念、範圍、描述模式上的聯繫,在和狹義相對論相等效的模式上,物體在不同慣性參照系中切換的過程中(變速運動),形成時間和空間的變率,如果是變速運動是穩定的,比如角動量為均勻的旋轉系,那麼時間和空間的變率也是相同的。我們知道,變速運動等效於引力,這使得廣義相對論具有相似的描述模式,甚至可以進行等效切換。在數學上採用曲率張量來進行描述,引力系統的引入使得數學上的空間彎曲成為一種形象的描述模式。
在一個引力系統所造成的空間曲率描述中,無疑會形成一種以引力源為中心的中心對稱。那麼,如果將整個的宇宙系統當作一個引力系統,無疑將是一個球形。如果宇宙的物質分佈是均勻的,那麼將會得到一個準球形。
相對論的理論畢竟是理論,下面我們來看關於現代的宇宙理論以及客觀事實是否支持這樣的結論。

2「膨脹」宇宙

總述
關於宇宙膨脹的觀念主要來自於對星體距離的測量上,採用幾何學三角測量的方法,以地球長軸為基線所測定的極限距離不超過150光年,利用某一期間的角位移和譜線得多普勒效應來對星團自轉求線速度的方法,其測定出的距離不超過三千光年,超過這個極限則利用造父形脈動變星的距離測量法,即知道天體的絕對亮度和標準光源進行比較即可。1914年前後,V.M.Slipher根據譜線紅移發現了幾個大於10的三次方千米/秒的速度離開我們的天體。大約有過了十年,哈勃測定了這些天體的距離,結果證明這些天體是一些距離在10的7次方光年以上的遙遠的星系。但是,如果恆星的距離太遠,則不能分辨和看到,對這種情況,有的以星系內最亮的恆星作為標準,有的只能以星系整體亮度作為標準儘可能的確定更多的星系的距離和紅移,經過整理,1922年哈勃發現具有巨大紅移的星系,其退行速度和距離成正比。其中,為哈勃常數,其值為,他認為這是由於宇宙的均勻的膨脹而造成的。
後來利用二戰後發展起來的射電望遠鏡是觀測的範圍更加擴大,可是由於射電波幾乎都是連續的,所以信息量很少。只有從比較近的星系測得的21cm譜線的紅移才於光學觀測的情況相似。
來自於宇宙物理學
在宇宙膨脹的觀念中,其主要的證據來自於宇宙光線的譜線紅移,那麼,譜線紅移的客觀事實結果的唯一解釋是不是譜線發射體在遠離我們而去呢?如果譜線發射體在遠離我們而去是譜線紅移的唯一的解釋,那麼宇宙的膨脹的解釋則成立,否則,則不能成立。這樣的結論關鍵在於譜線紅移和譜線發射體在遠離我們而去是唯一對應的解釋。或者是主要的解釋,其它可能包含的解釋可以略而不計。
我們稍微對光波和宇宙空間的環境分析一下,就知道這樣的解釋不是唯一的,更不是主要的解釋。下面我們來看引起譜線紅移的可能性的解釋。

3解釋

傳遞波的介質可能引起的紅移
(假設中的,很可能不存在)
引起譜線紅移的可能性的解釋我們可以先從常規波來探討這個問題。
我們從平靜的水面上投擲一顆石子,那麼石子會在水面上形成水面波,只要我們稍微注意一下就會發現,隨著水面波向遠處傳遞,波峰的運動速度會越來越慢。其原因是由於水的粘滯係數的關係。
在聲波上也有相似的結果,近處打雷的聲音要清脆一些,而遠處的雷聲要低沉一些,其原因是聲源所引起的聲壓、分子的運動速度,都會由於損耗減小所至。[可參見速度的問題之二————震動與波(上)]
如上兩種機械波的在傳遞過程中所引起的頻率紅移,都是由於傳遞波的介質而引起,或者說是由於介質的機械屬性所引起。當然,這和空間中傳遞的電磁波是完全不同屬性的波。不能做相同的類比。
但是,光的傳遞介質是不是存在。在十九世紀,以太作為光的傳遞介質被麥克爾遜——莫雷實驗否定后,其它有效的並被人們所接受的作為介質還沒有被提出來。如果傳遞光的介質存在力學的屬性,那麼譜線的衰減紅移,則是一種必然。可惜的是迄今沒有發現這種介質。
(另:關於光的傳遞介質,童正榮先生曾提出過wg粒子,它是和引力相關聯的粒子,在光的傳遞過程中,存在距離效應。童先生的文章我並沒有讀過,只是偶爾從論壇上看到過他所粘貼的帖子,也表達過距離紅移相似的內容。)
因此,對於遙遠星系光的紅移可以採用三種方法的可能,即:由於宇宙中存在的物質所導致的康普頓散射、帶電粒子對光線能量的吸收所導致的紅移;宇宙膨脹導致的宇宙大小尺度上存在的距離紅移;由於宇宙天體的運動所形成的多普勒頻移。
空間中的物質導致的紅移
在廣漠的宇宙空間中存在著大量的輕原子粒子、基本粒子,光線在穿過這些粒子的過程中,會產生散射。考慮到光線和這些粒子的作用,那麼會存在降低譜線頻率的現象,這種現象通常叫作康普頓效應。傳統中所指的康普頓效應是指光線和原子中電子的碰撞過程,我認為光線不僅僅和原子中的電子發生的碰撞會存在頻率降低的現象,光線和基本粒子的作用也會存在頻率降低的現象。在空間的介質問題之四 ——光的本性與麥克爾遜—莫雷實驗(中)(光的粒子性)中,已經討論了關於光和帶電粒子間的作用,另一方面,康普頓效應已經解決了光和原子間作用的規律,因此這裡就不探討光和原子間作用的詳細的細節性問題了,而僅列出光和基本粒子作用的結論。即:
光和帶電基本粒子間的作用過程中,光的頻率降低而減小的量值同帶電粒子的速度變化率成正比。這一點不適用於原子等複合性的粒子,即:不適用於傳統康普頓效應的計算方法。
毫無疑問,光通過宇宙空間中的介質粒子的過程中,會和這些介質粒子發生相互作用。由於這些粒子既包括高速運動的帶電粒子流,也包括在近乎靜止的原子分子,因此在處理上,可以採用宏觀統計的方法進行各向同性處理,對於廣闊的宇宙而言,甚至可以當作一種常數。當然,這樣的處理方法是近似的處理方法,並不是很嚴密,因為在不同的宇宙空間中,比如接近宇宙天體和遠離宇宙天體,粒子、離子、原子分佈的種類、數量以及狀態是完全不同的。將導致康普頓效應的空間介質當作一種統計上的常量處理。(光和帶電粒子間的作用所導致的紅移能不能包含在其中,這是一個精確度的問題,尋求更精確的我想不能包含在其中。)
宇宙天體和地球的相對運動速度所導致的紅移
有一靜止波源在發射一個一維確定波長的波,當觀測者靜止時,它會觀測到兩個豎直線間距離的波長。假如這個觀測者以一個確定速度在運動,那麼當他接受到第一個波峰之後,它會繼續向波源運動,當他接受到另一個波峰時,它所在的位置已經在虛豎線的位置,那麼我們所實際觀測到的波長則不是靜止時的波長。通常我們採用頻率的變化來描述這種狀態,通常叫做譜線的頻移。
在常規的機械波,如聲波中,假設觀察者和波源都在同一條直線上,並且觀測這和波源存在相對運動,並且是勻速的,那麼,波源所發出的一個確定頻率的波會因為波源和觀測者的相對運動而在觀測者的觀測結果里,頻率會有所改變。通常我們把這種現象叫做多普勒頻移。其表達式為
其中為觀測者相對於媒質的速度,u為波源相對於媒質的速度,波的傳播速度為V,為觀測者觀測到的頻率,為波源發出的頻率。如果應用於宇宙空間中的多普勒頻移,只要將上式中的分母換作時間膨脹因子(或者空間收縮因子)為觀測者或者波源的速度,那麼就是相對論的表達形式。
採用波長來表達在形式上可以更為簡單一些,即:λ=λ0-Δι,其中λ觀測者觀測到的波長,λ0為波源發出的波長,Δι為光通過一個觀測者觀測到的一個波長的時間裡,觀測者和波源之間的相對位移。
在觀測到的宇宙中遙遠的星光的頻率所發生的改變,通常被認為是第三種情況,宇宙天體和地球的相對運動速度所導致的紅移,很自然的,在現代天文學中就得到了宇宙膨脹的結論。

4鑒別方法

譜線頻移的鑒別方法
總述
在前面我們已經探討了宇宙中遙遠星系所發出的光在我們觀測上可能會存在三種頻移,這三種頻移單獨觀察一個譜線是無論如何也不能進行區分的。那麼是不是就沒有辦法了呢?當然不,以下方法可以將譜線的三種頻移分辯開來。
傳遞波的介質或者距離效應所導致的紅移
(暫時針對機械波)
波的傳遞介質或者距離效應所導致的頻移其原因是由於傳遞波的介質在對光的能量傳遞過程中所形成的能量損耗所造成,因此在關係式上,可以表達成光衰減的頻率同光傳遞的距離成正比。可以表示為:
=-△
其中表示我們觀測到的頻率,為標準譜線的頻率,△為光線通過確定空間長度后所衰減的頻率,它和距離長度成正比。如果我們將上圖中的譜線橫線當作譜線坐標的話,那麼我們會看到譜線均勻的橫向移動,每一條實際觀測的譜線都會在標準譜線系圖上橫移△。 如圖:
圖中顏色較淡的豎線,表示我們實際觀測到的發生頻移的譜線系。較深的豎線表示標準的譜線系。當然,在對遙遠星系的觀測過程中,我們得到一個譜線系是不容易的,因為光線強度是非常小的。其實,只要在實際的觀測中觀測到到任意兩條譜線,那麼就可以採用這種比較的方法來得到結果。
宇宙天體和地球相對運動速度導致多普勒紅移
多普勒頻移僅和觀測者和光源的相對速度有關,那麼多普勒的表達形式為:
由於觀測者和光源之間的相對速度在不同的譜線中是相同的,因此可以簡單的表達成=k,其中k等於。
我們可以看到,多普勒頻移和距離效應存在著本質的區別,這種區別就是在譜線系的標準圖上和我們觀測到的譜線系,其譜線的位置的變換為=k。如圖:
(關於這個圖並不是標準的,在譜線位置的關係上也是不對的,這裡僅僅為了說明觀測到的多普勒紅移在標準的譜線繫上的比較存在區別,只要注意採用觀測譜線和標準譜線之間的關係很容易鑒定,那麼這個圖則是次要的了。)
空間中的物質導致的紅移
空間中的物質所導致的紅移除了星際分子原子物質和光發生的康普頓散射之外,其它的就是帶電粒子和光發生的作用了。但由於前面的多普勒頻移是簡單的譜線移動,那麼這就提供了一種簡單的鑒別兩種紅移的方法。
如果將宇宙中的媒質採用統計的方法,可以將媒質當作異種均勻的各向同性的分子原子物質處理。但是對帶電粒子處理則不能採用這樣的方法,因為帶電粒子的運動速度在空間中的分佈應該符合一種統計的分佈。光子和這些帶電粒子的作用所引起的譜線頻移則要採用統計分佈的原則了。
頻率高的光和介質發生的康普頓散射所損失掉的能量要多一些,頻移相對的要大一些。相反,頻率低的光和介質發生的康普頓散射所損失掉的能量要小一些,頻移相對的也要小一些。那麼這就存在這樣一種趨勢,就是光經過大量的多普勒散射之後,頻率分佈會趨向均勻,換句話說,將會趨向於連續譜線。帶電粒子和光線的作用也是相似的。譜線系的結構在我們觀測上將會模糊或者消失。當然,這依賴於光線通過的距離。如果是光線通過的距離是無限的,那麼我們所觀測到的則必然是某種連續譜線。這一點很容易和上兩種譜線頻移的原因區分開。

5關係

譜線頻移和宇宙狀態的關係
第一、 如果我們觀測到的譜線頻移,其鑒定方法必須採用多普勒紅移來解釋,或者以多普勒紅移為主來解釋,那麼這說明遙遠的星體在離我們而去。膨脹的宇宙成立。
第二、如果我們觀測到的譜線頻移,其鑒定方法必須採用第一種方法——傳遞波的介質可能引起的紅移,或者以第一種方法為主,由於距離效應所引起,那麼一個驚人的結論為牛頓力學在高精度內不能成立,牛頓力學定律不能成立。因為必然要引入力學屬性的衰減來解釋這種現象。那麼慣性定律則沒有任何的意義。我們知道,相對論也是建立在牛頓力學的基礎上,因為狹義相對論的相對性原理則是牛頓力學的一種表述。相對論內建的力學系統不能成立的話,那麼相對論也不能成立了。
這樣的一個結論是不用懷疑的。
第三、如果我們觀測到的譜線頻移,其鑒定方法必須採用空間中的物質導致的紅移(如康普頓效應來解釋和帶電粒子和光的作用的解釋)來解釋,或者以此為主來解釋,那麼這說明膨脹的宇宙不能成立,當然,也包括宇宙大爆炸理論不能成立。那麼宇宙的觀念要恢復到十九世紀的哲學觀念,整個宇宙無邊無際。
整個宇宙採用定量的方法來描述是沒有任何意義的。

6有效性

由於遙遠星系發出的光的的強度是很微弱的,能否採用如上的方法依賴於觀測精度能否進一步提高。
另一方面是關於如上的三種可能的原因疊加的問題。我想採用數學上的方法應該可以區分開來。
此外,能不能從理論上找到遙遠星系所發出光的兩條或者兩條以上的譜線,這個問題很關鍵。如果不能確定這個問題,那麼本文的方法就沒有意義。由於星系所發光的物質都是有限的,從恆星不同階段的能源上來說也是有限的和確定的,因此在理論上一定可以找到兩條可供比較的譜線。
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